碳化硅七大应用领域大揭秘：探索未来科技的无尽可能！

碳化硅七大应用领域大揭秘：探索未来科技的无尽可能！

碳化硅（SiC）作为第三代半导体的核心材料，凭借其耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优异特性，正在引领未来科技的发展方向。从5G通信到新能源汽车，从航空航天到智能电网，碳化硅的应用领域日益广泛，展现出巨大的发展潜力。本文将为您详细解析碳化硅的七大应用领域，探索其在现代科技中的重要作用。

半导体材料的演进

第一代半导体材料主要包括硅和锗，其中硅由于其储量丰富、制备工艺简单，成为制造半导体产品的主要原材料，广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。然而，第一代半导体材料难以满足高功率及高频器件的需求。

第二代半导体材料以砷化镓为代表，其较高的电子迁移率使其在光电子和微电子领域得到广泛应用，是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性，限制了其在高温、高频、高功率器件领域的应用。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，最大的优势在于其较宽的禁带宽度，这保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星等新兴领域的理想材料。

三代半导体材料的指标参数对比

碳化硅的优异特性

碳化硅具有宽的禁带宽度（约3.2eV）、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能，使其具备耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点。与硅材料相比，碳化硅的禁带宽度是硅的三倍左右，这意味着其耐高压性能显著优于硅材料。

此外，碳化硅的热导率大幅高于其他材料，使得碳化硅器件可在高达600℃的温度下运行，而硅器件的极限温度仅为300℃。高热导率还有助于器件快速降温，从而简化冷却系统，实现器件轻量化。根据CREE的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET尺寸仅为硅基MOSFET的1/10。

碳化硅还具有较高的能量转换效率，且不会随着频率的提高而降低。碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的10倍，相同规格的碳化硅基MOSFET总能量损耗仅为硅基IGBT的30%。这些优异特性使得碳化硅材料在高温、高频、高频领域逐步替代硅，在5G通信、航空航天、新能源汽车、智能电网等领域发挥重要作用。

碳化硅产业链

碳化硅产业链可分为三个主要环节：碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。通常采用物理气相传输法（PVT法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD法）生成外延片，最后制成器件。在SiC器件的产业链中，主要价值量集中于上游碳化硅衬底（占比50%左右）。

碳化硅衬底根据电阻率可分为两种类型：

• 半绝缘型碳化硅衬底：电阻率高于105Ω·cm，主要用于制造氮化镓微波射频器件。随着中国大力发展5G技术，这类衬底的需求持续增长。
• 导电型碳化硅衬底：电阻率在15~30mΩ·cm，由其生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。

碳化硅的应用场景

碳化硅的应用场景主要分为以下几类：

射频器件

射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点，相较于传统的硅基LDMOS器件，其可以更好地适应5G通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

功率器件

功率器件主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件，包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。碳化硅基碳化硅器件在1000V以上的中高压领域有深远影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

新能源汽车

电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统（On-board charger，OBC）、车载DC/DC及非车载充电桩。其中，电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多，碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件应用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产成本降低，碳化硅在充电桩领域的应用也将逐步深入。

光伏发电

目前，光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从96%提高至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而带来成本低、效能高的好处。

智能电网

国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能电网中的主要应用场景包括：高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。

轨道交通

轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置

射频通信

碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

中国碳化硅产业发展现状

在国家产业政策的支持和引导下，我国碳化硅晶片产业发展大幅提速。国内企业以技术驱动发展，深耕碳化硅晶片与晶体制造，逐步掌握了2英寸至6英寸碳化硅晶体和晶片的制造技术，打破了国内碳化硅晶片制造的技术空白并逐渐缩小与发达国家的技术差距。未来伴随我国新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等行业的快速发展，我国碳化硅材料产业规模和产业技术将得到进一步提升。